1960 年代美国橡树岭国家实验室的早期实验性钍基核反应堆(照片：橡树岭国家实验室/美国能源部)
2021 年 8 月，中国宣布建成首个实验性钍基核反应堆。该反应堆建在该国北部的戈壁沙漠中部，未来几年将进行测试。如果实验证明成功，北京计划建造另一个可能为10 万多户家庭发电的反应堆。
意图获取钍的独特特性的并不只有中国。过去，印度、日本、英国、美国等国家对钍在核电方面的可能应用研究表现出热情。这种金属的吸引力在于它有可能成为一种更丰富、更有效的铀替代品，铀是主要的核燃料。
然而，使用钍生产能源并非没有挑战，原子能机构新出版物《部署钍基核能的近期和有希望的长期选择》中讨论了这些挑战。该报告全面总结了原子能机构一项以开发钍基核能的可能性为重点的为期四年的协调研究项目的结果，审查了使用钍作为燃料的好处和挑战，并分析了其在不同类型反应堆中的应用——从最常部署的水冷反应堆到熔盐反应堆。
“许多国家认为钍既是一种可行且非常有吸引力的选择，可用于发电并满足其不断增长的能源需求，”原子能机构核燃料循环设施专家、该报告的作者之一 Kailash Agarwal 说。“我们的研究项目帮助国家实验室和研究机构在钍的使用方面分享了宝贵的知识和经验，最终形成了本出版物。”
钍是一种银色、略带放射性的金属，常见于火成岩和重矿砂中。它以北欧神话中的雷神托尔命名。含量是原来的三四倍在自然界中比铀更重要，但历史上在工业或发电中几乎没有用处。这部分是因为钍本身不是核燃料，但它可以用来制造核燃料。Thorium-232 是唯一天然存在的钍同位素，是一种可裂变材料，但不是裂变材料，这意味着它需要高能中子才能进行裂变——原子核分裂释放出用于发电的能量。然而，当受到辐射时，钍 232 会发生一系列核反应，最终形成铀 233，这是一种裂变材料，可以在核反应堆中作为燃料燃烧掉。
钍能提供什么?
与传统核燃料铀 235 相比，钍拥有多项优势。在为水冷反应堆或熔盐反应堆提供燃料时，钍产生的裂变材料(铀 233)比消耗的多。据估计，地球上地壳平均含有百万分之 10.5 (ppm) 的钍，而铀的含量约为 3 ppm。
“由于钍的丰富性和裂变材料的繁殖能力，钍有可能为人类的能源需求提供长期解决方案，”阿加瓦尔说。
另一个优势是，以钍为燃料的反应堆可能比以铀为燃料的反应堆更环保。除了这些反应堆——以及一般的核电——在运行中不排放温室气体这一事实外，它们产生的长寿命核废料也少于当今的铀燃料反应堆。
并非没有挑战
然而，有几个经济和技术障碍使得钍的部署具有挑战性。尽管储量丰富，但目前这种金属的开采成本很高。
“独居石矿物是稀土元素的主要来源，也是钍的主要来源，”国际原子能机构铀资源专家马克·米哈拉斯基说。“如果没有当前对稀土元素的需求，独居石不会仅仅因为其钍含量而被开采。钍是一种副产品，提取钍需要比提取铀更昂贵的方法。因此，就目前而言，可以以具有成本效益的方式从地下开采出的钍数量不如铀。然而，如果对钍及其在核能中的应用有更高的需求，这种情况可能会改变。”
由于缺乏对钍和铀在核能领域历史上的卓越地位的重要经验，因此对钍动力核装置的研究、开发和测试同样昂贵。“钍的另一个障碍是它可能难以处理，”原子能机构燃料工程和燃料循环设施技术负责人 Anzhelika Khaperskaia 说。作为一种可增殖而非易裂变的材料，它需要铀或钚等驱动剂来触发和维持连锁反应。
“为了满足不断增长的能源需求并实现全球气候目标，全世界都在寻找替代的可持续和可靠的能源技术。钍可能成为其中之一，”国际原子能机构科长克莱门特希尔总结道。“我们将继续我们的研究，为那些有兴趣使用钍的人提供可靠的和基于科学的结果。”
